摘要
黄土窑洞作为黄土高原地区极具民族特色的建筑形式，不仅代表着我国悠久的历史文化，而且还承载着亿万劳动人民对美好生活的向往。然而，由于黄土特殊的水敏性，使得黄土窑洞在自然条件下极易受到降雨作用的影响，特别是因降雨入渗引起的水分迁移使得窑洞土体的含水量不断提高，抗剪强度逐渐降低，进而对黄土窑洞的稳定性造成严重影响。因此，开展降雨作用下黄土窑洞水分迁移规律及稳定性研究，不但能够为降雨入渗作用下窑洞的稳定性分析提供理论依据，而且对于保护黄土高原地区居民的生命和财产安全具有重要的现实意义。 本文以陕北延安地区黄土窑洞作为研究对象，采用室内试验、理论分析和数值计算相结合的方法，分别开展土水特征曲线试验、非饱和土增湿变形特性试验以及非饱和土强度试验，建立非饱和土渗流-应力耦合模型，对降雨作用下黄土窑洞的水分迁移规律、变形特性以及稳定性进行研究。本文的主要研究内容及结论如下: (1)采用压力板仪进行全过程的土水特征曲线试验，获得延安黄土脱湿阶段与吸湿阶段的土水特征曲线，分析了脱湿曲线与吸湿曲线的差异性，得出了非饱和黄土体积含水量与基质吸力的关系。试验表明，体积含水量与基质吸力不是一一对应的关系，且吸湿曲线相对于脱湿曲线存在明显的“滞后效应”。通过对试验数据的拟合分析发现，VanGenuchten模型能够很好地表征延安黄土的土水特性。 (2)采用应力-应变式非饱和土三轴仪进行黄土的增湿变形特性试验，获得不同净应力下孔隙比和体积含水量随基质吸力的变化曲线，建立了孔隙比和体积含水量与净应力和基质吸力之间的关系，分别得出了延安黄土孔隙比-净应力-基质吸力的拟合曲面以及体积含水量-净应力-基质吸力的拟合曲面。 (3)采用GDS非饱和土三轴仪进行强度试验，获得不同净应力与基质吸力下的应力-应变曲线，分析了净应力和基质吸力对非饱和黄土抗剪强度的影响。结果表明，非饱和黄土的抗剪强度随着净应力和基质吸力的增大而逐渐提高;基质吸力对黄土粘聚力的影响较大，而对有效内摩擦角的影响较小。通过对试验数据的拟合分析，建立了试验黄土的粘聚力与基质吸力的函数关系式。 (4)基于非饱和土的非线弹性本构关系，结合获得的孔隙比和体积含水量与净应力和基质吸力的关系，推导了弹性模量和体积模量与净应力和基质吸力的关系;通过分析降雨入渗过程中土体渗流与应力之间的耦合机理，以力的平衡方程和液相的连续性方程为基本框架，结合增湿变形特性的本构关系，构建了非饱和土渗流-应力耦合模型。 (5)基于非饱和土渗流-应力耦合模型，采用多物理场耦合分析软件COMSOLMultiphysics，分析典型降雨工况下黄土窑洞的水分迁移规律和变形特性，探讨不同降雨强度、不同降雨模式以及不同降雨入渗方向对黄土窑洞水分迁移规律及稳定性的影响。研究表明，在典型降雨工况下，随着降雨的持续进行，其入渗深度逐渐增大，土体的含水量不断提高，变形不断增大;黄土窑洞的水分迁移规律及稳定性均受降雨强度、降雨模式和降雨入渗方向的影响，随着降雨强度的增强，降雨模式的提高和降雨入渗倾角的增大，引起窑洞土体的含水量不断提高，基质吸力不断减小，使得土体的弹性模量不断减小，变形不断增大，进而导致黄土窑洞的安全系数不断降低。
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